南拒马河倒虹吸进出口渐变段抗浮稳定措施研究

2010-02-28李文君张文友

水科学与工程技术 2010年3期

李文君，张文友

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 工程概况

南拒马河倒虹吸是南水北调中线京石段应急工程中的一座大型穿河建筑物，位于河北省涞水县八岔沟北与北横岐北的南拒马河上，建筑物起止桩号220+794.32～221+602.32，全长808m，相应口门宽度为600m，建筑物等级为1级；设计流量60m3/s，加大流量70m3/s，倒虹吸进出口段渠道纵坡1/25000，底宽7.5m，边坡1∶2.5，水深4.3m。防洪标准为河道100a一遇洪水设计，300a一遇洪水校核；建筑物地震设计烈度为7°。倒虹吸上游渠底高程56.676m，设计水位60.976m，加大水位61.114m；下游渠底高程56.43m，设计水位60.73m，加大水位60.869m。

南拒马河交叉断面河床底高程58.7m，布置建筑物后100a一遇洪峰流量5174m3/s，相应洪水位63.91m；300a一遇洪峰流量7153m3/s，相应洪水位64.37m；汛前施工期即枯水期20a一遇洪水流量140m3/s，相应洪水位60.63m。

南拒马河倒虹吸主体工程由进口渐变段、进口检修闸段、管身段、出口工作闸段及出口渐变段5部分组成。

进口渐变段长40m，分离底板钢筋混凝土结构，底宽7.5～11.4m，底板高程56.68～54m；两侧边墙为直线扭曲面，上游始端为贴坡式挡土墙，最大边坡1∶2.5；末端为直壁半重力式挡土墙。进口渐变段一级马道高程62.48m，堤顶高程66.5m。

进口检修闸室长10m，开敞式钢筋混凝土整体结构2孔，每孔净宽5.1m，设叠梁式检修闸门，底板高程54m。

管身段由进口斜坡段、水平管身段和出口反坡段三部分组成，长度分别为38，600，40m，管身均为两孔一联的钢筋混凝土箱形结构，单孔过水断面5.1m×5.1m，水平管身底高程47.2m。

出口工作闸室长20m，2孔，每孔净宽5.1m，设弧型工作钢闸门和叠梁式检修闸门，底板高程54.53m。

出口渐变段长60m，结构型式同进口渐变段，底板高程54.53～56.43m，一级马道高程62.18m，堤顶高程67.2m。

倒虹吸上、下游总干渠均为挖方渠段，梯形断面，设计底宽7.5m，边坡系数2.5，纵坡1/25000，现浇混凝土衬砌。

2 工程地质条件

建筑物区域属太行山东麓缓丘陵与山前倾斜平原过渡地带。南拒马河自北流向南，河床及漫滩宽200m，其中主河床宽40m；左岸漫滩宽100m；右岸漫滩受河流侵蚀较窄。漫滩两侧普遍分布一级阶地，地面高程61.4～63.7m。

建筑物区域地质为土岩多层结构，由第四系卵石层、黄土状砂壤土、粘土及强风化白云质灰岩与砂质页岩互层等组成。建基面范围除管身段局部分布有小片的透镜体状中粗砂、砾砂外，大部为卵石层。卵石的磨圆度较好，其中漂石占10%，主要成分为石英砂岩和灰岩。卵石层分布连续稳定，含水量5.6%～18.6%，湿密度2.2～2.58g/cm3，干密度2.1～2.17g/cm3，内摩擦角33°，变形模量25kPa，地基承载力400kPa。卵石层具有较强透水性，渗透系数260m/d，相应于国际标准单位3×10-1cm/s。地下水位枯水期一般在35.0m以下，汛期升至50～52m。

3 设计中存在的重大技术问题

本工程具有两大特点：一是地基为厚度较大的卵石层，另一个是河道洪水位较高。随之带来的两个技术问题就是地基渗漏问题和建筑物抗浮稳定问题。对于建筑物的渗漏问题，一般采用结构措施比如控制混凝土裂缝的产生、加强施工缝和沉降缝止水等方法，可以得到解决；而对于建筑物抗浮稳定问题的解决要复杂得多，尤其是对于进出口渐变段，南拒马河交叉断面布置建筑物后100a一遇洪水位为63.91m，高于进出口渠底7.23～7.48m，因其处于挖方渠段，本身又是分离底板结构，河道洪水透过孔隙较大的卵石直接作用在底板底部。因此解决倒虹吸进出口渐变段的抗浮稳定问题成为工程设计的重点技术课题。

4 进出口渐变段抗浮稳定验算

4.1 计算方法和计算模型

进出口渐变段是沿程呈变断面的非规则棱柱形输水槽，不但两侧边坡沿轴线在不断变化，而且底板高程也在变化。若将该段做为整体计算其难度是相当大的，因此仍采用传统的结构力学法即切割剖面法进行计算。在同样水头作用下，影响结构抗浮稳定的因素是结构布置高程和结构自重。对于底板而言，由于紧临闸室一端高程较低，底部承受的扬压力较大，抗浮稳定性较差。对于扭曲面护坡而言，由于远离闸室一端厚度较薄，自重较小，抗浮稳定性也较差。综合考虑，应将紧临闸室一端的底板和远离闸室一端扭曲面护坡做为重点研究对象。

4.2 计算工况分析

根据工程运行情况及工程主管部门要求，为保护总干渠建筑物的安全，在全线通水前要求渠道预留不小于1.0m的水深，以防因地基冻胀导致结构沉陷、隆起等变形破坏现象的发生。因此进出口渐变段抗浮稳定计算进行了4种不利工况的分析比较。

（1）总干渠设计水位+河道100a一遇洪水位的工况，在该工况条件下，总干渠内外的水位差为2.93～3.18m；

（2）总干渠1.0m水深+河道100a一遇洪水位工况，此时总干渠内外的水位差为6.23～6.48m。

（3）总干渠加大水位+河道300a一遇洪水位的工况，在该工况条件下，总干渠内外的水位差为3.26～3.51m。

（4）总干渠建成无水+河道枯水期20a一遇洪水位的工况，在该工况条件下，总干渠内外的水位差分别为：远离闸室一端为3.95～4.20m，紧邻闸室一端为6.63～6.88m。

比较上述4种工况下总干渠内外水位差不难发现，其中以第2种工况对结构抗浮稳定最为不利，故以此作为控制计算工况。

4.3 抗浮稳定状况分析

根据现有工程结构布置情况，进出口渐变段采用分离式钢筋混凝土结构，在控制计算工况条件下进出口渐变段底板所受到扬压力达24704～36057kN，远大于底板自重+水重11113～15462kN，不能满足抗浮稳定要求。而对于远离闸室一端的扭曲面护坡在同样条件下承受的扬压力呈梯形分布，进出口渐变段两侧翼墙所受扬压力为40280～62845kN，均大于护坡自重+水重27834～41751kN，也不能满足抗浮稳定要求。

5 抗浮稳定措施方案

满足建筑物抗浮稳定的措施有3个对策方案：第1方案加大底板厚度，使其自身重量+水重大于底部所承受的扬压力；第2方案在底板底部增设抗拔桩以分担所承受的扬压力；第3方案采用换基措施即将地基表层强透水的卵石层换成渗透系数较小的砾石土，以形成防渗体削减底部扬压力。

5.1 加厚底板方案设计

式中 δ为渐变段底板的厚度（m）；k为抗浮稳定安全系数，一般取k=1.1；H1为河道100a洪水位（m），在控制工况条件下H1=63.91m；H0为总干渠水位（m），H0=57.68m；γ0为混凝土容重（kN/m3），γ0=25kN/m3。

将上述各参数代入（1）式，得到δ=4.89～5.09m。也就是说，只有当渐变段底板厚度增加到4.89～5.09m时才能满足抗浮稳定要求，为此需增加土方开挖6850m3，混凝土量6850m3。该方案投资估算增加277万元。

欲使渐变段底板满足控制计算工况下的抗浮稳定要求，其厚度可按式（1）求出：

5.2 抗拔桩方案设计

抗拔桩拟采用钢筋混凝土灌注桩，桩径0.8m。其单桩抗拔力可按式（2）求出。

式中 Rb为待求的单桩抗拔力（kN）；d为桩径（m），d=0.8m；γd为混凝土容重（kN/m3），γd=25kN/m3；l为桩长（m），l=8～10m；f为混凝土与地基土层之间摩擦系数，对砂卵石可取0.45～0.55，这里取f=0.45；γ′0为地基土层浮容重（kN/m3），对砂卵石取γ′0=14kN/m3；φ为地基土层内摩擦角（°），对砂卵石取φ=33°。

将上述各参数代入（2）式，得到单桩抗拔力Rb=249～357kN。

在控制工况下，上游渐变段底板所受扬压力24704kN，底板自重+水重为11113kN，两者之差即底板承受顶托力为13591kN，按单桩抗拔力249kN计，需设置长8m抗拔桩55根，平均4.7m2/根。单侧边坡底板所受扬压力40280kN，底板自重+水重为27834kN，两者之差为12446kN，按单桩同等抗拔力计，需设50根抗拔桩，平均4.8m2/根。上游渐变段共设抗拔桩155根。

下游渐变段底板所受扬压力36057kN，底板自重+水重15462kN，两者之差为20595kN，按单桩抗拔力357kN计需设长10m抗拔桩58根，平均5m2/根。单侧边坡底板所承受的扬压力62845kN，自重+水重41751kN，两者之差为21094kN，按单桩同等抗拔力计需设抗拔桩59根，平均6m2/根。下游渐变段共设抗拔桩176根。

在增设抗拔桩的同时，考虑渐变段底板和护坡厚度太薄，在刚度上与桩径不相匹配，应在桩顶设厚度不小于1m的“＃”字形地梁，为此除抗拔桩外需另增混凝土量980m3。该方案投资估算约增加198.21万元。

5.3 换基方案设计

对于换基方案，根据当地料源情况采用卵石土即基坑开挖的砂卵石经筛分与粘性土均匀拌合后的混合料做为防渗体。卵石土的厚度应满足3个条件：①在控制工况下其最大渗透比降应不超过规范规定的允许值4～5。按此规定，卵石土的厚度应不小于2m，为安全起见实际厚度采用2.8m，并沿底部轮廓包裹一层0.5mm厚的土工膜，以加强防渗效果。②渐变段底部增设防渗体后便形成一个“软壳地下航母”。为保证航母的抗浮稳定，按照水力学原理要求自身的重量必须大于所排开水体的重量。通过计算表明，渐变段首尾两个断面在控制工况下的自重分别为29255kN/m和49314kN/m，100a洪水位以下排开水体的重量分别为22221kN/m和33474kN/m。两个断面的自重均大于所排开水体的重量，说明建筑物在整体抗浮稳定方面是安全的。③渐变段底部增设防渗体后底板两侧伸缩缝断面的剪应力应小于该断面的抗剪强度，以保证防渗体结构的强度安全。该断面的抗剪强度可采用[τ]=σ·tan准+c计算，式中σ通过简单计算可知σ=25.3kN/m2；卵石土的内摩擦角准=20°；卵石土粘滞力c=10kN/m2。将有关参数代入式中得 [τ]=26.4kN/m2。该断面在控制工况下承担的剪应力为22.3kN/m2，小于抗剪强度，满足防渗体的强度安全要求。

该方案增加土方开挖19380m3，卵石土回填16105m3，复合土工膜6720m2，投资估算约增加71万元。

5.4 方案比选

通过对上述3个方案的比选认为，对于工程规模不大的建筑物来说，为提高其抗浮稳定性需将底板厚度加大近5m，这无论在经济上还是在实用上都是不合理的。对于增设抗拔桩方案，由于在卵石层中造孔难度较大，若采用机械施工对地基可能会产生一定的扰动，其次在工程实践上应用较少。换基方案能充分利用当地材料，增加投资较少。综合考虑各种因素推荐采用换基方案。

6 推荐方案布置和技术要求

为使渐变段混凝土衬砌、砾石土和土工膜形成封闭的防渗体，要求：①两侧护坡砾石土回填高程应超过100a一遇洪水位0.5m；②土工膜顶部包边高程至少与一级马道平；③卵石土回填时卵石最大直径不超过40mm；卵石含量不大于50%，粘粒含量不小于11%；小于0.075mm颗粒含量不大于15%；砾石土的压实度不得低于0.98，渗透系数不大于1×10-5cm/s；④为确保防渗体结构强度的安全性，将底板两侧伸缩缝由直线形改为折线形，以增加接缝断面的抗剪强度；⑤为确保建筑物整体抗浮稳定安全，在全线通水前每年汛期应尽量提高总干渠内的水位。